跳转到内容

超声波电动机

本页使用了标题或全文手工转换
维基百科,自由的百科全书

超声波电动机为一种利用机械振动摩擦力来产生推力致动器,当振动频率超过20kHz(人体感应的界限)时,此种致动器即称为超声波电动机。

发展历史

在认识超声波电动机前,首先必须了解压电效应,因为超声波电动机所需要的振动源即由具有压电性的材料所提供。

压电效应的发现

压电效应(piezoelectric effect)是一种机械能与电能之间的互相转移现象。1880年时,法国的皮埃尔·居里(Pierre Curie)和雅克·居里(Jacques Curie)兄弟在研究焦电现象(pyroelectric effect)与晶体对称性关系的研究时,发现对某类晶体(非对称晶格结构)施加机械压力,可以在其表面上得到电荷,且电势量与其所施加的应力呈现正比关系,即正压电效应(Direct Piezoelectric Effect)。

1881年,李普曼(Gabriel Lippmann)根据能量守恒电荷量守恒的原理,推测逆压电效应(Converse Piezoelectric Effect)的存在;这一番说法,很快的就被Pierre Curie和Jacques Curie兄弟用实验所证实。

压电效应的应用发展

1917年,由于第一次世界大战的关系,为了可以侦测水底的潜水艇,法国的保罗·蓝杰文(Paul Langevin)开发了一个水下声纳装置,此装置即由压电换能器产生声源,这是压电效应最早的实际应用。

直到1973年,压电效应才被应用于电动机上。美国IBM公司的巴特(H.V. Barth)提出以两个压电振动源推动转子的电动机,此为史上第一个超声波电动机。然而由于磨耗和温升的问题,此电动机并无实际的商业应用。

第一个具有商业应用的超声波电动机发展于公元1982年,由日本的指田年生(Toshiiku Sashida)提出,此电动机改良摩耗上的问题,且首先应用于照相机自动对焦系统,此为目前使用超声波电动机最多的领域。

分类(依工作原理)

压电电动机可分为半静态电动机与超声波电动机两种,它们皆以压电元件作动,而半静态电动机并不是以振动的方式推动动子。由于主题为超声波电动机,下面将只针对超声波电动机的作动方式进行介绍。

行波式超声波电动机

在说明行波式超声波电动机前,首先必须了解行波如何产生。简单来说行波可借由两个驻波的结合产生,此两个驻波于位置上相差四分之ㄧ个波长,于相位上相差九十度,两个驻波叠合即可产生行波。

行波式超声波电动机也是用同样的方法产生行波,我们可以看到圆环上的A、B两端皆可产生驻波,而A、B间相差四分之ㄧ个波长,故只要A、B两端再由相差九十度的电压讯号驱动,即可于圆环表面产生行波,进而推动动子。

驻波式超声波电动机(仅单方向)

单方向的驻波式超声波电动机实现非常简单,仅需使用一可做上下振动的超声波振动子,并使振动子与动子间倾斜一个角度,即可推动动子移动。也由于倾斜的关系,振动子顶端于接触动子时会产生椭圆形的运动。

驻波式超声波电动机(双方向、单一压电元件)

仅使用单一压电元件的驻波式超声波电动机是非常少见的,主要是因为其结构设计上较为困难,它在结构上必须是非对称的,才可于不同频率下产生不同的双模态,每个双模态皆控制一个运动方向,所以此电动机是借由改变频率来改变其运动方向。

驻波式超声波电动机(双方向、两个以上压电元件)

此类型的驻波式超声波电动机是较为常见的,其为对称的结构设计,这种电动机改变运动方向的方法不是透过改变频率(改变振动模态)来达到,而是以改变压电元件间的相位差来达到。由于此种超声波电动机的结构非常简单,现已有实际产品于市面贩售。

行波式超声波电动机与驻波式超声波电动机的比较

行波式与驻波式超声波电动机各有其优缺点。行波式的优点在于定子表面是产生行波与动子接触,则其接触点是会不断交替的,如此将大大减少超声波电动机的磨耗问题,然而其也因为行波的缘故,定子上并无节点,所以定子较难固定,除此之外,行波式的电动机结构较为复杂且电动机效率较低都是其缺点。而驻波式的超声波电动机结构较为简单,且效率较高,其最大的缺点是定子与动子间的接触点是唯一的,容易产生磨耗上的问题。


应用

电调焦镜片

电调焦镜片是目前超声波电动机最大的应用领域,会使用超声波电动机的原因是在提供同样的推力条件下,超声波电动机比电磁电动机所需要的体积还要小,且不会有背隙、顿转扭矩的问题,而高精确性与低噪音也是其卖点。

月面机器人

月面机器人(Lunar robot)采用超声波电动机的原因则是看中其低耗能的优点,由于超声波电动机于静止时具有很大的静摩擦力,这使得电动机于不作动时,不需要耗费任何电力来使得旋转接头的部分固定不动。

经纬仪

经纬仪(Theodolite)是用于地表量测的机器,它需要长时间于室外进行工作,故如何延长其工作时间是非常重要的课题,这台经纬仪采用超声波电动机即是看中其低耗能的特点,使同样的电池可以持续更久的时间。

医疗微型机器人

为了制作一个可以于血管中游动的医疗微型机器人(Medical microbot),极小的机器人体积即为其诉求,而机器人内一定必须装有电动机,则超声波电动机小体积的特点即非常适合此应用。此电动机体积仅有0.75立方毫米,而带动电动机的压电材料仅有0.03立方毫米。

管内检测机器人

小管线内部的检测工作是很难直接派人进行检测,主要就是因为管子太小,人难以进入。因此需要有装置摄影机的管内检测机器人(Pipe inspection robot)进入管内帮助检测,而为了掌握管子内部的所有情况,则此摄影机必须可对不同的角度去进行摄影,因此需要电动机。由于机器人本身体积小,所以采用超声波电动机较为合适。

参考文献

  • K. Spanner, “Survey of the various operating principles of ultrasonic piezomotors,” in Actuator, 2006.
  • K. Uchino, S. Cagatay, B. Koc, S. Dong, P. Bouchilloux and M. Strauss (2004). Micro Piezoelectric Ultrasonic Motors . J. Electroceramics, vol. 13, num. 1-3, pp. 393–401.
  • T. Sashida, “Trial construction and operation of an ultrasonic vibration driven motor,” Jpn. J. Appl Phy., vol. 51, p. 713, 1982.
  • J. Friend, J. Satonobu, K. Nakamura, S. Ueha, and D. Stutts, “A single-element piezoelectric tuning fork linear actuator,” IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., vol. 50, no. 2, pp. 179–186, 2003.
  • V. Vishnevsky, L. Gultiaeva, I. Kartaschew, V. Lavrinenko, Piezoelectric Motor. Russian Patent CCCP No. 851560, 1976–1981.
  • T.Kubota, Y.Kunii, Y.Kuroda, T.Yoshimitsu, T.Okada, M.Kato , Lunar Robotics Exploration by Cooperation with Lander and Micro Rovers , 6th IAA Int. Conf. on Low-Cost Planetary Missions, pp.189-194, 2005.
  • B Watson, J Friend, L Yeo, M Sitti. Piezoelectric Ultrasonic Resonant Micromotor With a Volume of Less than 1 mm3 for Use in Medical Microbots. Proc IEEE Conf Robotics Automation, Kobe, Japan, pp 2225–2230 (2009).
  • M. Hoshina, T. Mashimo, S. Toyama, "Development of Spherical Ultrasonic Motor as a Camera Actuator for Pipe Inspection Robot," 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS2009), St. Louis, pp. 2379-2384, 2009.